气柜的主要作用是将煤气等燃气进行收集 、储存及输配送 ,气柜的形状一般为圆柱形或多边柱形 ,内部有一可上下移动且直径与柜体相当的活塞板 ,用来调节、恒定柜体内的煤气压力 。活塞边缘与气柜壁之间用液体作为密封介质, 有用水作为介质的湿式密封和用润滑油作为介质的干式密封 , 由于干式密封气柜具有占地面积小 、柜体使用年限长 、排气压力恒定、地基承受压力小等明显优点 ,近年来呈现逐渐替代湿式密封气柜的趋势。从 20世纪 80年代起 ,随着制造技术和施工水平的提高 ,
干式气柜在我国得到普遍应用 ,在燃气输配送过程中起着主导性作用。应节能环保要求, 越来越多的企业将产生的可燃气体收集后用于供热或发电 ,对于民用 ,煤气也同天然气一样作为方便清洁的燃料被广泛使用 , 因此气柜越来越多地被钢铁、焦化及燃气等行业采用 ,而且气柜容积也越来越大 ,目前已达到 30万 m3, 气柜密封油的应用也随之发展, 已经成为主要的工业用油之一。对于干式气柜, 正确选择密封油是保证气柜安全及正常运行的关键 。由于燃气的来源和组分不同 ,对密封油的影响也有差异,还有当地气候条件 ,都是密封油选用时应该考虑的因素 。以下就燃气的种类、气柜的工作条件对密封油的性能要求、国内密封油使用现状及今后的发展展开讨论 。
1 燃气的种类与组成
燃气主要指煤气 、天然气、石油气和石油炼厂气等 ,目前使用气柜最多的是煤气。煤气主要有焦炉煤气、高炉煤气、
转炉煤气和水煤气等 , 主要来自焦化 、钢铁及煤化工等行业,这几种煤气及炼厂干气的主要成分及燃烧热值如表 1所示。气体成分的不同 ,对气柜密封介质的影响也有差异 。
焦炉煤气是指用几种烟煤配成炼焦用煤 , 在炼焦炉中经高温干馏后 ,在产出焦炭和焦油产品的同时所得到的可燃气体 , 是炼焦产品的副产品 。主要作燃料和化工原料。
高炉煤气是在高炉炼铁过程中产生的副产品 ,含有可燃一氧化碳的气体, 是一种低热值的气体燃料 ,可以用于冶金企业的自用燃气, 如加热热轧的钢锭 、预热钢水包等 。也可以供给民用 ,如果加入焦炉煤气, 就叫做 “混和煤气”, 可提高热值 。
转炉煤气是转炉炼钢过程中, 铁水中的碳在高温下和吹入的 O2生成 CO和少量 CO2的混合气体 。转炉煤气的发生量在一个冶炼过程中并不均衡 , 成分也有变化 。通常将转炉多次冶炼过程回收的煤气输入一个
储气柜, 混匀后再输送给用户 。转炉煤气由炉口喷出时温度高达 1450 ～ 1500 ℃,并夹带大量氧化铁粉尘 ,需经降温、除尘 , 方能使用 。转炉煤气是钢铁企业中等热值的气体燃料, 可以单独作为工业窑炉的燃料使用 ,也可和焦炉煤气 、高炉煤气 、发生炉煤气配合成各种不同热值的混合煤气使用 。
水煤气是水蒸气通过炽热的焦炭而生成的气体,热值较高,燃烧速度是汽油的 7.5倍, 抗爆性好,据国外研究和专利的报导, 其压缩比可达 12.5, 热效率能提高 20% ～ 40%、功率提高 15%、燃耗降低 30%, 尾气净化近欧Ⅳ标准,还可用微量的铂催化剂净化 。比醇、醚简化制造和减少设备 ,成本和投资更低 。压缩或液化与 H2相近, 但不用脱除 CO, 建站投资较低。还可用减少的成本和投资部分补偿压缩或液化的投资和成本。水煤气既可用作燃料,也是化工原料。
炼厂气主要来源于原油蒸馏、催化裂化、热裂化 、石油焦化、加氢裂化 、催化重整、加氢精制等过程 。不同来源的炼厂气其组成各异 , 主要成分为碳四 (C4)以下的烷烃、烯烃以及氢气和少量氮气、二氧化碳等气体 。炼厂气的产率随原油的加工深度不同而不同,深度加工的炼厂气一般为原油加工量的6%左右 。 在美国约有 2%的乙烯 、60%的丙烯和90%的丁烯来自炼厂气 。炼厂气加工是石油炼厂的重要任务之一 。一般炼厂气首先经过气体分离装置 ,利用吸收和解吸的方法使碳二 (C2)以下气体与大于碳三 (C3)的气体分离, 然后分别进行加工:①C2以下气体经乙醇胺脱硫和硫回收后, 可作为制氢和乙烯的原料 , 或作为燃料气 。 ②由气体分馏装置来的 C3、C4馏分经分馏得到 C3和 C4两种组分 。 C3组分主要用于生产叠合汽油。 ③C4
组分去烷基化装置,利用硫酸或氢氟酸作催化剂,使异丁烷和丁烯转化成以 C3异构烷烃为主的烷基化汽油 。
除了煤气和石油炼厂气 , 天然气以及沼气等可燃气体的输配送, 都可能用到气柜, 气体组分的不同 ,对密封油的影响也是不同的 ,因此考虑气体种类是开发 、选用密封油的重要因素之一 。
2 干式气柜的类型及密封方式
干式气柜目前实际采用的有三种柜型:曼(MAN)型、可隆 (KLONNE)型和威
金斯(WINGGINS)型,其区别就在于密封方式的不同,如表 2所示。
对干式柜而言 ,最重要的莫过于密封,也就是如何防止在固定的外筒与上下活动的活塞之间产生气 ,在对干式柜的技术管理中 , 对其密封机构 、密封介质的管理是最重要的 。在上述三种气柜中, 曼（MAN)型、即油液密封式气柜的使用已成为主导 。油液密封式气柜的密封机构由活塞外围的油槽和滑板组成 ,油槽内充满矿物油 ,用以封住活塞下面的气体 ,滑动部分的间隙充满油液,通过间隙流失的油液从上部补充 ,并且是循环使用的 。除了密封作用, 密封油还起到了润滑活塞上下运动以及防止煤气对气柜的腐蚀作用。
3 不同介质对干式气柜密封油的影响
气体的组成不同 ,对密封油的性能影响也不同 。某润滑油生产商和中国石化济南分公司共同开发了质量如表 4所示的 1号 、2号和 3号干式气柜密封油 ,并考察了炼厂干气 、钢厂高炉煤气和焦炉煤气对该气柜密封油性能的影响 ,结果分述如下 。
3.1 对密封油粘度的影响
结果显示,三种介质都会使密封油粘度下降, 炼厂干气影响最大 ,在考察周期内 ,使油品粘度降低了40%, 焦炉煤气和高炉煤气分别使油品粘度下降24%和 12%。这主要是由于炼厂干气中含有较多的烃类组分, 特别是 C3～ C5组分极易溶解于密封油中造成粘度下降, 而高炉煤气中不含烃类组分, 故其对油品粘度影响很小。
3.2 对密封油闪点的影响
炼厂干气对密封油闪点影响最大 , 随着使用时间的延长,闪点下降至 50 ℃左右, 焦炉煤气较好,能够维持在 170 ℃以上 ,而高炉煤气对闪点影响不太大 。这也是由于炼厂干气中的烃类组分溶于密封油造成的, 高炉煤气中不含烃类而影响很小 ,焦炉煤气中含有少量烃类对密封油闪点有一定的影响。
3.3 对密封油防腐蚀性能的影响
试验按 SH/T0195和 GB/T11143方法进行,三种介质的考察结果如表 3所示。由此可见 ,在检测周期内 ,密封油多表现出优良的钢质保护能力 。由于含有 H2S的缘故, 尤其是焦炉煤气中 H2
S在油中的积累, 使焦炉煤气柜的密封油出现了严重的锈蚀 ,炼厂干气柜密封油在检测后期也出现了轻微锈蚀 ,而高炉煤气柜用油则表现了与新油相当的防腐能力 。
3.4 对密封油油水分离能力的影响
试验按 GB/T260方法进行 , 以 30 min时油的分出率表示油水分离能力, 结果表明 ,焦炉煤气柜的密封油油水分离能力下降最快, 而高炉煤气柜用油依然保持了很好的破乳化能力。这是由于焦炉煤气中含有粉尘 、颗粒萘等不能完全除去的有害物质, 使得油品油水分离能力下降较快 。
4 密封油的使用方式及性能要求
气柜内最底部是一层水 ,水层上是密封油层, 如此可防止煤气从柜体底部渗漏, 而且一旦发生渗漏使水先漏出 ,避免油的漏出对环境造成污染 。密封油的一次性注入量较大, 如 30万 m3的气柜一次注油量为 273 t, 主要集中在底部的密封油层。在气柜投入使用后, 密封油随着不断地损耗需定期补加 。气柜底部的密封油通过油站 (大型气柜通常有多个油站, 如 30万 m3的气柜拥有 6个油站 )泵送到气柜顶部, 再通过活塞间隙沿气柜壁流入底部 。由于与水层接触,密封油在送往柜顶前需在油站的油箱内分水、脱水,同时油箱内拥有加热和冷凝装置 , 可调控密封油的温度。
干式气柜对密封油的客观要求 :①合适的粘度及良好的粘温特性。使用高粘度密封油, 密封效果好 ,可减少漏油量 ,但粘度太高会造成输送困难 ,抗乳化性差,而且粘度不应随温度而发生急剧变化 。 ②良好的氧化安定性 。密封油需要长期连续运转 , 具有良好的氧化安定性可以防止在与水、煤气、金属的长期接触中,被氧化并生成酸性物质和沉淀物造成变质及金属腐蚀 。 ③良好的抗乳化性。密封油在循环过程中会与(煤气中的)水分接触 ,并被强烈的搅拌(油泵齿轮), 因此应当具备良好的抗乳化性 。 ④良好的防锈防腐性 。水进入密封油会对金属造成腐蚀 ,从而使柜体及各种运转、密封装置受损。因此 ,密封油应当是深度精制的矿物基础油加入抗氧剂 、防锈剂 、金属钝化剂、抗泡沫剂等添加剂配成。 ⑤较低的凝点,在冬季寒冷地区也可使用 。
面对密封油的变质问题 ,所采取的措施是 :①严格按客观要求选择密封油。密封油的氧化主要是不饱和烃组分的氧化 , 尽可能选用直馏组分调合密封油能延缓氧化变质。 ②定期补充抗氧化剂 。密封油始终与煤气中的水接触 ,水会使油中的一些添加剂分解或沉淀 ,定期补充抗氧化剂 ,可以增加油品的抗氧化能力。 ③用涂料减少油品与金属的接触 , 尤其是气柜底部油槽的壁板和油水分离器的壁板应刷耐油涂料 。 ④定期检查沉积物的状况和清洗储油容器 。 ⑤密封油经长时间使用后, 油品会因氧化变质使性能下降 ,但由于干式气柜密封油用量较大 ,完全更换密封油成本较高 ,通常采用破乳 、过滤 、补充添加剂等综合手段使油品再生继续使用 , 同时也要求产品有较长的使用寿命 。
5 国内密封油的使用现状 我国目前尚无干式气柜密封油的国家标准 ,也未颁布行业标准。现在市场上干式气柜密封油采用的标准是 20世纪 80年代由济南炼油厂与北京钢铁设计院 、马鞍钢铁设计院共同制定的第一个气柜密封油的暂定技术标准, 后经延续改进的现中国石化企业标准 Q/SH303 364 -2007, 如表 4所示 。该类产品是以深度精制的矿物基础油加入多种添加剂
调制而成 ,能够很好地解决干式气柜的密封 、防锈及润滑等问题, 产品选用方法参照表 5。另外, 中国石油润滑油公司也研制了干式气柜密封油 , 产品标准为 RH09 ZB.0012 -2007,如表 6所示 。
另外,还有一些高炉专用、焦炉专用以及炼厂气专用等气柜密封油也有介绍 。由表 6可见 , 气柜密封油的粘度级别较为特别 ,未执行 ISO粘度级别标准,而且国内还没有统一的质量标准, 都是企业标
准 ,或者是根据气柜用户的要求制订质量标准 。随着气柜的普及应用 ,气柜密封油应该有国内统一的质量标准。
6 展望与建议
收集可燃气体 , 替代常规燃料用于供热与发电 , 从而节省能源 , 是今后的发展趋势 。如冶金 、炼油等行业不可避免地产生大量的可燃气体 , 而以往这些气体都是通过火炬白白烧掉 , 如果收集利用 ,将会节省大量燃料 。但是这些气体的利用有很多技术难关, 如供热或发电通常需要压力 、流量及热值恒定等, 而很多可燃气体来源及成分复杂 、压力及流量不稳定 , 只有通过气柜收集 、存储及恒压后才可用于发电 。使用气柜最多的是煤气, 虽然煤气有表 1的分类 ,但在实际使用中又可分为工业用煤气 (主要是钢铁企业 )和民用煤气 (主要是水煤气 ),根据气体的用途不同 , 对气柜密封油质量要求提出如下建议 :
(1)粘度
粘度应该执行 ISO国际标准, 结合表 3与表 5,可将干式气柜密封油定为 68号和 100号 (40 ℃运动粘度 )两种 ,民用煤气及石油炼厂气温度较低 , 宜使用 68号 , 而钢厂煤气温度较高 , 宜使用 100号 。由于油品在使用中粘度下降,必要时需加增粘剂。
(2)凝点或倾点
上述气柜密封油都有较低的凝点要求 , 尤其是表 4还根据不同地区气温提出了低凝油和普通油的使用方法。但对于钢铁行业 ,因煤气温度较高(可达70 ℃), 在气柜内停留时间较短 , 而且油站有加热设施 ,油线有保温层 , 因此受环境温度影响不大 , 不必使用低凝油, 使用 100号产品即可 。但民用煤气及石油炼厂气温度较低, 在气柜内停留时间较长, 受环境温度影响较大, 可将宜使用的 68号产品分为普通和低凝两类, 在寒冷地区使用低凝产品。
(3)氧化安定性因气柜密封油一次性装油量较大 , 无论工业与民用,气柜密封油都要求有较长的使用时间 ,因此对气柜密封油的氧化安定性要求较高 , 应开发长寿命密封油, 建议酸值达到 2.0 mgKOH/g所需时 间(GB/T12581试验方法 )应该由不小于 1000 h提高到 2000 h或更高 。
(4)抗乳化分水性
因气柜密封油与水接触 ,而且水煤气还含有水分 ,因此密封油的抗乳化分水性较为重要, 无论使用多久,都要确保油水能够分离,油站还应该有脱水措施 ,同时严格控制密封油在使用过程中的水分含量 ,并将此作为运行密封油的监控指标。
(5)其他性能
抗腐蚀性及防锈性对气柜密封油也很重要 , 尤其是高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气 ,含有大量腐蚀性气体 ,容易对气柜壁造成腐蚀 ,因此气柜密封油应该具有良好的防腐性及防锈型, 对气柜起到保护作用 。另外,气体中的成分 , 如 H2、烷烃或烯烃 , 都可能对密封油产生一定的影响, 对气体的溶解性也有要求。如炼厂气对密封油的粘度 、闪点影响最大, 闪点的降低是影响安全生产的因素之一 , 因此矿物油不是理想的炼厂气柜密封油, 需要通过密切监测及缩短换油周期来保障安全生产 。
7 结束语
干式气柜密封油除了要建立国内统一的质量标准 ,还要建立运行控制指标 , 做到定期采样分析检测 ,监控油品在使用中的质量变化 。当使用过程中油品的某些项目 ,如抗乳化分水性或抗腐蚀防锈性不达标时 ,可先试验补加添加剂的方法改进 ,如果该方法无效,就要考虑换油 。油品供应方不仅仅是提供油品 ,更重要的是做好服务工作,协助用户定期检测油品 ,提供补加添加剂及换油的周期, 同时对用户进行技术交流及培训, 帮助用户做好油品应用与管理工作 ,保障设备正常运行 。
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